Industrielle Biotechnologie

Begriff, Bedeutung und Ziele

Die industrielle Biotechnologie, auch weiße Biotechnologie genannt, nutzt biologische und biochemische Kenntnisse und Prozesse für industrielle Produktionsverfahren. Die Übertragung in technische Anwendungen erfolgt durch die Bioverfahrenstechnik. Eingesetzt werden unter anderem Bakterien wie Escherichia coli und Corynebacterium glutamicum, Hefen und Enzyme; häufig laufen die Prozesse in Fermentern oder Bioreaktoren ab.

Die Grenzen des Fachgebiets werden unterschiedlich gezogen. EuropaBio zählt dazu die biotechnologische Herstellung von Spezial- und Feinchemikalien, Lebensmitteln und Lebensmittelzusatzstoffen, Agrar- und Pharmavorprodukten sowie Hilfsstoffen für die verarbeitende Industrie. Die Fraunhofer-Gesellschaft definiert sie als „die industrielle Produktion von organischen Grund- und Feinchemikalien sowie Wirkstoffen mithilfe optimierter Enzyme, Zellen oder Mikroorganismen“.

Nach der OECD hat die industrielle Biotechnologie zwei Schwerpunkte: Erstens sollen endliche fossile Brennstoffe durch nachwachsende Ausgangsstoffe, also Biomasse, ersetzt werden. Zweitens sollen biologische Prozesse herkömmliche industrielle Verfahren ersetzen, um Energiebedarf, Rohstoffeinsatz, Zahl der Prozessstufen und Kosten zu senken und zugleich ökologische Vorteile zu schaffen.

Die weiße Biotechnologie überschneidet sich mit der roten Biotechnologie für medizinische und pharmazeutische Anwendungen sowie der grünen Biotechnologie für Landwirtschaft und Pflanzen. Daneben bezeichnen blaue Biotechnologie Anwendungen mit Meereslebewesen und graue Biotechnologie Verfahren zur Trinkwasseraufbereitung, Abwasserreinigung, Sanierung belasteter Böden und Müllverarbeitung.

Entwicklung und Arbeitsweisen

Biotechnologische Verfahren werden seit Jahrtausenden genutzt, obwohl Mikroorganismen und die zugrunde liegenden Vorgänge damals unbekannt waren. Beispiele sind die Ethanolgärung zuckerhaltiger Lebensmittel mithilfe von Hefen, die Milchsäuregärung mit Lactobacillus-Stämmen und die Essigsäureherstellung mit Acetobacter-Arten. Louis Pasteur entdeckte 1856 in verunreinigten Weinfässern Mikroorganismen. Seine Untersuchungen von Milchsäurebakterien und Hefen schufen eine Grundlage für das Verständnis von Fermentation und Gärung sowie für die moderne Mikrobiologie.

Bei der Biokonversion wandeln Organismen oder Enzyme Ausgangsstoffe in gewünschte Produkte um. Gewonnen werden beispielsweise Produkte des Katabolismus, also des abbauenden Stoffwechsels, oder des Anabolismus, des aufbauenden Stoffwechsels. Organismen können ausgewählt werden, weil sie eine benötigte Umwandlung bereits beherrschen. Zucht, Mutation und Selektion können die Ausbeute ohne Gentechnik erhöhen. Enzyme wurden früher meist aus geeigneten Organismen oder Organen gewonnen, beispielsweise Lab aus Kälbermägen.

Gentechnische Methoden erweitern die Möglichkeiten. Bei der gerichteten Evolution werden biologische Systeme gezielt variiert und ausgewählt; beim Metabolic Engineering werden Stoffwechselwege verändert. Dadurch lassen sich Ausbeuten steigern oder neue Umwandlungen ermöglichen. Benötigte Gene können zudem aus schwer kultivierbaren Organismen in Arten übertragen werden, die sich gut in Bioreaktoren vermehren lassen. Das Zielprodukt kann eine vom codierten Enzym gebildete Verbindung oder das Enzym selbst sein. Ein bekanntes Beispiel ist die bakterielle Herstellung von Insulin, die dessen Gewinnung aus Schweinebauchspeicheldrüsen ablöste.

Für gentechnische Arbeiten gelten Sicherheitsmaßnahmen. In Deutschland werden sie durch das Gentechnikgesetz und die Gentechnik-Sicherheitsverordnung geregelt; Labor- und Produktionsbereiche werden den Sicherheitsstufen S1 bis S4 zugeordnet. Ein neuer Ansatz ist die Analyse von Metagenomen, also der Gesamtheit aller Gene sämtlicher Arten etwa in einem Biotop. Damit sollen interessante Gene und Enzyme auch aus Organismen auffindbar werden, die sich nicht im Labor kultivieren lassen.

Energie, Lebensmittel und Arzneistoffe

Aus Biomasse können Bioethanol, Biogas und Biowasserstoff fossile Energieträger teilweise ersetzen. Bioethanol entsteht durch Gärung zucker- oder stärkehaltiger Rohstoffe wie Zuckerrüben, Maiskorn und Getreidekorn sowie bestimmter organischer Abfälle. Cellulose kann enzymatisch erschlossen und zu Cellulose-Ethanol verarbeitet werden. Biogas entsteht in Biogasanlagen durch anaeroben, also ohne Sauerstoff ablaufenden Abbau von Biomasse einschließlich einer Methanfermentation. Biowasserstoff lässt sich durch mikrobielle Fermentation organischen Materials oder durch veränderte photosynthetische Prozesse mit Algen in Photobioreaktoren gewinnen.

Antibiotika behandeln Infektionskrankheiten. Das Breitbandantibiotikum Cephalosporin gehört wie Penicillin zu den β-Lactam-Antibiotika und wird aus 7-Amino-Cephalosporansäure abgeleitet. Das biotechnologische Produktionsverfahren arbeitet bei Zimmertemperatur mit Wasser als Lösungsmittel und benötigt keine großen Mengen toxischer Stoffe oder Schwermetalle. Das Abwasser kann anschließend im Wesentlichen biologisch gereinigt werden.

Lebensmittel werden als Functional Food bezeichnet, wenn ihr Nährwert durch zugesetzte Verbindungen erhöht werden soll. Riboflavin, also Vitamin B2, wurde noch in den 1990er Jahren chemisch in acht Syntheseschritten hergestellt. Heute genügt eine einstufige Fermentation. Bis 2008 wurden dadurch 40 % der Kosten, 60 % der Rohstoffe, 30 % der CO₂-Emissionen und 95 % der Abfälle eingespart beziehungsweise vermieden. Cyanocobalamin, eine als Vitamin-B12-Supplement gleichwertig geeignete inaktive Vorstufe, wird durch mikrobielle Fermentation und anschließende Derivatisierung mit Kaliumcyanid hergestellt. Üblich sind gentechnisch optimierte Mikroorganismen der Gattungen Pseudomonas, Methanobacteria, Propionibacteria oder Bacillus; auch eine direkte De-novo-Synthese ist möglich.

Mehrere Aminosäuren entstehen großtechnisch durch Biotechnologie. Rund 1,5 Mio. t L-Lysin werden jährlich als Futtermittelzusatz in Geflügelproduktion und Schweinemast eingesetzt, weil diese essenzielle Aminosäure etwa in Sojamehl nur in geringer Konzentration vorkommt. Als Rohstoff der bakteriellen Fermentation dient vor allem Zucker. Ein schwerer Zwischenfall zeigte mögliche Risiken: Ende der 1980er Jahre produzierte Shōwa Denkō Tryptophan mit transgenen Bakterien; dabei entstand versehentlich ein unerwünschtes Toxin, an dem 37 Menschen infolge des Eosinophilie-Myalgie-Syndroms starben.

Enzyme und Hormone

Industriell hergestellte Enzyme wirken als Biokatalysatoren: Sie beschleunigen bestimmte Reaktionen mit hoher Selektivität. In Medizin und Diagnostik ermöglichen biotechnologische Verfahren ihre preisgünstige und leistungsfähige Herstellung. Therapeutische Enzyme werden unmittelbar als Medikamente verwendet; Beispiele sind Lipasen, Lysozym und Thrombin.

In der Lebensmittelindustrie werden mehr als 40 Enzyme eingesetzt. Sie verändern Stärke, optimieren Fette und Eiweiße, stabilisieren Schäume und Cremes und verbinden Fleischteile zu Formfleisch. Außerdem beeinflussen sie unter anderem die Bissfestigkeit von Cornflakes, die Gefrier-Tau-Stabilität von Fertigteig und die Reifung fermentierter Lebensmittel und Getränke. Sie können Lebensmittel konservieren, Aromen verstärken und das Kleben gekochter Nudeln verhindern.

Wasch- und Reinigungsmittel enthalten etwa Lipasen, Proteasen und Amylasen. Diese zerlegen Fette, Proteine wie Blut oder Eigelb und Stärke in wasserlösliche Bestandteile. So können Waschtemperatur und Waschdauer sowie der Verbrauch von Wasser, Waschmittel und Energie gegenüber enzymfreien Waschmitteln sinken. Anfangs wurden die Enzyme mit durch Selektion verbesserten, nicht gentechnisch veränderten Mikroorganismen erzeugt. Seit den 1980er Jahren wird Gentechnik genutzt, um höhere Ausbeuten und weitere Enzyme verfügbar zu machen.

Hormone werden bei Krankheiten eingesetzt, beispielsweise bei Wachstums- oder Wechseljahresbeschwerden, in der Krebstherapie und bei Diabetes Typ I. Insulin lässt sich fermentativ mit Bakterien herstellen. Bei Cortison wurde die chemische Synthese in 37 Schritten durch eine wirtschaftlichere biotechnologische Herstellung in 11 Schritten ersetzt. Dabei wurde unter anderem die Stoffwechselleistung des Pilzes Rhizopus arrhizus genutzt. Weitere biotechnologische Prozesse ermöglichten es, Diosgenin aus der mexikanischen Yams-Wurzel als Ausgangsstoff der Cortison-Synthese zu ersetzen.

Weitere industrielle Anwendungen

In der Textilindustrie wird Wasserstoffperoxid (H₂O₂) als starkes Oxidationsmittel zum Bleichen eingesetzt und muss danach vollständig entfernt werden. Herkömmlich erfolgt dies durch zweistündiges Spülen mit 80–95 °C heißem Wasser und eine chemische Nachbehandlung. Beim biotechnologischen Verfahren zerlegt das Enzym Katalase das Wasserstoffperoxid innerhalb weniger Minuten bei 30–40 °C in Wasser und Sauerstoff. Statt zweier Spülzyklen ist nur noch ein Spülschritt mit warmem Wasser nötig.

Biopestizide sind Mittel gegen Schädlinge oder Unkraut, die Mikroorganismen oder deren Produkte nutzen. Das Bodenbakterium Bacillus thuringiensis bildet das für einige Insekten giftige Bt-Toxin. Dieses Protein kann ähnlich wie Bier hergestellt und auch im Bio-Landbau versprüht werden. Bei gentechnisch veränderten Organismen wie Bt-Mais wird das zugehörige Gen in das Erbgut eingefügt, sodass die Pflanzenzellen das Toxin selbst bilden.

Ein weiteres Gebiet ist die biotechnologische Herstellung von Monomeren, also Grundbausteinen für Kunststoffe und Polymere. Entwickelt werden biologisch abbaubare sowie nicht abbaubare biobasierte Kunststoffe. So können petrochemische Verfahren ersetzt oder Polymere mit neuen Eigenschaften geschaffen werden. Beispiele sind Polymilchsäure beziehungsweise Polylactid (PLA), Polyamide und Polyhydroxyalkanoate wie Polyhydroxybutyrat (PHB).

Potenzial und Informationssystem

Die industrielle Biotechnologie gilt als Schlüsseltechnologie. Durch gezielte Nutzung und biotechnologische Verbesserung von Mikroorganismen können industrielle Prozesse voraussichtlich kostengünstiger und umweltverträglicher werden. Weniger Prozessstufen sowie ein geringerer Material- und Energieeinsatz senken Kosten; geringere und besser verträgliche Reststoffe und Emissionen vermindern Umweltbelastungen. Zudem können nachwachsende Rohstoffe für die Industrie erschlossen werden.

2012 arbeiteten 61 der 565 Biotechnologieunternehmen in Deutschland, also rund 11 %, hauptsächlich auf diesem Gebiet. Da viele chemische Unternehmen mit entsprechenden Methoden in dieser Erhebung nicht erfasst wurden, dürfte seine tatsächliche Bedeutung größer gewesen sein. Erwartet werden Fortschritte besonders bei der Optimierung der Herstellung von Grund- und Feinchemikalien, der Verringerung der Rohstoffabhängigkeit, der Senkung von Energie- und Entsorgungskosten sowie der Entwicklung neuer Produkte und Systemlösungen durch gentechnisch nutzbar gemachte Stoffwechselwege.

Informationen zum Vorhandensein, Nachweis und zur Identifizierung gentechnisch veränderter Organismen (GVO) in der Europäischen Union bietet EUginius, die „European GMO Initiative for a Unified Database System“. Die Datenbank soll Unternehmen, private Nutzer und zuständige Behörden unterstützen.